FR2686431A1 - OPTICAL FREQUENCY DOUBLE USING SEMICONDUCTOR QUANTIC STRUCTURES. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un doubleur de fréquence comprenant une structure semiconductrice à puits quantiques et un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 permettant d'amplifier notablement le doublement de fréquence. Le réseau peut être inscrit optiquement ou électriquement au sein de la structure semiconductrice et présente un pas dans le plan de ladite structure. Application: Systèmes d'enregistrement ou de lecture optique.The invention relates to a frequency doubler comprising a semiconductor structure with quantum wells and a second-order non-linear susceptibility network for significantly amplifying the frequency doubling. The network can be optically or electrically inscribed within the semiconductor structure and has a step in the plane of said structure. Application: Optical recording or reading systems.
Description
ii
DOUBLEUR DE FREQUENCE OPTIQUE UTILISANT DES STRUCTURES OPTICAL FREQUENCY DOUBLE USING STRUCTURES
QUANTIQUES SEMICONDUCTRICESSEMICONDUCTOR QUANTICS
L'invention concerne un doubleur de fréquence d'onde électromagné- The invention relates to an electromagnetic wave frequency doubler
tique comprenant une structure semiconductrice à puits quantiques capable d'ampli- comprising a quantum well semiconductor structure capable of amplifying
fier les effets optiques non linéaires et notamment la génération de seconde harmo- proud of non-linear optical effects and in particular the generation of second harmo-
nique. Les doubleurs de fréquence peuvent avantageusement être utilisés dans Picnic. Frequency doublers can advantageously be used in
les systèmes d'enregistrement et de lecture optiques ou tout autre domaine dans le- optical recording and reading systems or any other field in the
quel on cherche à disposer de source de puissance à une longueur d'onde détermi- which one seeks to have a source of power at a determined wavelength
née que les matériaux classiques employés ne peuvent générer Cependant, le pro- The use of conventional materials can not, however, generate
l O blème majeur des doubleurs de fréquence réside dans l'accord de phase à réaliser impérativement entre la polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique créée En effet l'onde harmonique créée se propage dans un matériau avec un vecteur d'onde k 2 ow tel que: k 2 w= 2 ir 112 w)/X 22) = 2 x 2 ic 112 /X O TI 2 W est l'indice de réfraction du matériau à la fréquence 2 co, si wo est la fréquence de l'onde électromagnétique incidente qui se propage avec un vecteur The major problem with frequency doublers lies in the phase agreement that must be achieved between the polarization created by the incident electromagnetic wave and the harmonic wave created. Indeed, the harmonic wave created propagates in a material with a vector. wave k 2 ow such that: k 2 w = 2 ir 112 w) / X 22) = 2 x 2 ic 112 / xo TI 2 W is the refractive index of the material at frequency 2 co, if wo is the frequency of the incident electromagnetic wave propagating with a vector
k<" tel que kcw = 2 it ll W/Xw.k <"such that kcw = 2 it ll W / Xw.
rl( étant l'indice de réfraction du matériau à la fréquence w. rl (being the index of refraction of the material at the frequency w.
Généralement Va est différent de 112 (w et le déphasage existant entre la Generally Va is different from 112 (w and the existing phase difference between the
polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique li- polarization created by the incident electromagnetic wave and the harmonic wave
mite de façon rédhibitoire l'efficacité de conversion de la fréquence en 2 On appelle longueur de cohérence Lc, la longueur de matériau au bout de laquelle ce déphasage atteint ns, Lc étant donc définie de la manière suivante: Lc(k 2 w)-2 k") = It is called the length of material at the end of which this phase shift reaches ns, Lc being defined in the following manner: Lc (k 2 w) - 2 k ") =
7 C, soit encore Lc = XW/4 ( 112 w-iw). 7 C, again Lc = XW / 4 (112 w-iw).
Une solution connue pour pallier ce problème consiste à utiliser une perturbation périodique avec un pas A de manière à former par exemple un réseau d'indice ou un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 notée x( 2) responsable de la génération de seconde harmonique A En choisissant astucieusement A tel que Le = on parvient à cumuler la puissance émise à la fréquence 2 W au cours du chemin parcouru par l'onde électromagnétique incidente comme l'illustre la figure 1 représentant l'évolution de la puissance créée à la fréquence 2 co, en fonction de la longueur 1 parcourue au sein du doubleur Sans réseau on obtient la courbe P 2 Uol en fonction de 1, en utilisant A known solution for overcoming this problem consists in using a periodic perturbation with a pitch A so as to form, for example, an index grating or a nonlinear susceptibility network of order 2 denoted by x (2) responsible for the generation of second harmonic A By cleverly choosing A such that Le = one manages to cumulate the power emitted at the frequency 2 W during the path traveled by the incident electromagnetic wave as illustrated in figure 1 representing the evolution of the power created at the frequency 2 co, depending on the length 1 traveled within the doubler Without network we obtain the curve P 2 Uol according to 1, using
une structure réseau dans laquelle on crée périodiquement des domaines dans les- a network structure in which domains are periodically created in
quels le coefficient x( 2) n'est pas nul, séparés de domaines dans lesquels le coeffi- which the coefficient x (2) is not zero, separated from domains in which the coefficient
s cient x( 2) est nul, on obtient la courbe P 2 oe,2 Enfin en créant un réseau de do- if x (2) is zero, we obtain the curve P 2 oe, 2 Finally by creating a network of do-
maines +X( 2) séparés de domaines -x( 2) on obtient la courbe P 2 ce,3 la plus perfor- + X (2) domains separated from -x (2) domains we obtain the curve P 2 ce, 3 the most per-
mante. Pour obtenir une efficacité élevée au sein d'un doubleur de fréquence l'invention propose d'utiliser une structure semiconductrice à puits quantique dont mantis. To obtain a high efficiency within a frequency doubler the invention proposes to use a quantum well semiconductor structure whose
on sait qu'une telle structure permet d'amplifier fortement les effets optiques non li- it is known that such a structure makes it possible to greatly amplify the non-limiting optical effects.
néaires, et d'inscrire dans cette structure un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 afin de réaliser la condition de quasi accord de phase, ledit réseau étant to include in this structure a nonlinear susceptibility network of order 2 in order to achieve the quasi-phase-matching condition, said network being
commandable optiquement ou électriquement Plus précisément, l'invention pro- optically or electrically controllable More specifically, the invention
pose un doubleur de fréquence d'onde électromagnétique de longueur d'onde X An comprenant une structure semiconductrice comportant un empilement de couches poses an electromagnetic wave frequency doubler of X nan wavelength comprising a semiconductor structure comprising a stack of layers
constituées de matériaux semiconducteurs permettant la création de puits de poten- made of semiconductor materials allowing the creation of
tiel caractérisé en ce qu'il existe au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 dans les puits tels que el est inférieur à e 2, que la densité de probabilité de présence d'électrons sur e 2 est une fonction asymétrique et que ledit doubleur comprend un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 résultant du peuplement en électrons du niveau el et de cette asymétrie, le pas du réseau étant dans le plan des couches, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement et permettant d'assurer l'accord de phase entre une polarisation créée par une onde électromagnétique incidente et une onde harmonique créée, les deux ondes se characterized in that there are at least two discrete levels of energy ei and e 2 in the wells such that el is less than e 2, that the probability density of electron presence on e 2 is an asymmetric function and that said doubler comprises a nonlinear susceptibility network of order 2 resulting from the electron population of the level e1 and this asymmetry, the pitch of the grating being in the plane of the layers, said network being optically or electrically controllable and making it possible to ensure the phase agreement between a polarization created by an incident electromagnetic wave and a created harmonic wave, the two waves are
propageant dans le plan de la structure semiconductrice. propagating in the plane of the semiconductor structure.
Le doubleur de fréquence selon l'invention peut avantageusement être obtenu à partir d'au moins un ensemble de couches de matériaux MI, MII, Mm et The frequency doubler according to the invention can advantageously be obtained from at least one set of layers of materials MI, MII, Mm and
MIV de manière à définir des puits quantiques asymétriques présentant deux lar- MIV to define asymmetric quantum wells with two
geurs centrales de bande interdite différentes, les puits ayant au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 Le niveau électronique ei peut être peuplé optiquement different central bandgap, wells having at least two discrete levels of energy ei and e 2 The electronic level ei can be populated optically
sous l'action d'un faisceau optique de longueur d'onde Ip telle que hc/Xp est supé- under the action of an optical beam of wavelength Ip such that hc / Xp is greater than
rieure à (el-hl); h étant la constant de Planck et c la vitesse de la lumière En utili- greater than (el-hl); h being Planck's constant and c the speed of light Using
sant deux faisceaux lumineux émettant à Xp et faisant des angles e de part et d'autre de la normale au plan des couches, on peut ainsi définir des franges d'interférences capables localement d'irradier ou non la structure semiconductrice de manière à peupler localement et périodiquement le niveau énergétique el Sous l'incidence two light beams emitting at Xp and making angles e on either side of the normal to the plane of the layers, it is thus possible to define interference fringes that are capable locally of irradiating or not the semiconductor structure so as to locally populate and periodically the energy level and under the incidence
d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xco, on crée ainsi de la généra- of an electromagnetic wave of wavelength Xco, we thus create genera-
tion de seconde harmonique dans les régions o le niveau ei est peuplé; on définit alors optiquement un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 dont le pas est ajustable en fonction de l'angle 20 entre les faisceaux incidents à la longueur d'onde Ip. second harmonic in regions where the level ei is populated; an orderly non-linear susceptibility network 2 is then optically defined, the pitch of which is adjustable as a function of the angle between the incident beams at the wavelength λ.
Dans un doubleur selon l'invention on peut également utiliser une struc- In a doubler according to the invention, it is also possible to use a structure
ture semiconductrice comportant au moins un ensemble de couches de matériaux M'I, M'II, M'm et M'IV de manière à définir des puits quantiques présentant trois largeurs centrales de bande interdite E'gj, E'gjj, E'gj, E'g IV, E'gl I et E'g IV étant égales et supérieures à E'gj et les puits quantiques étant rendus asymétriques par l'application d'un champ électrique perpendiculaire au plan des couches Dans semiconductor device comprising at least one set of layers of M'I, M'II, M'm and M'IV materials so as to define quantum wells having three central bandgap widths E'gj, E'gjj, E ' gj, E'g IV, E'gl I and E'g IV being equal to and greater than E'gj and the quantum wells being rendered asymmetrical by the application of an electric field perpendicular to the plane of the layers In
le cas d'une telle structure possédant un puits quantique symétrique rendu asymé- the case of such a structure having a symmetric quantum well rendered asymmetric
trique par l'application d'un champ électrique le matériau M'm peut être dopé de manière à avoir intrinsèquement un niveau el peuplé et la génération de seconde by the application of an electric field the material M'm can be doped so as to have intrinsically a level el populated and the generation of second
harmonique peut avantageusement se faire localement et périodiquement en dépo- harmonic can advantageously be locally and periodically
sant des électrodes interdigitées à la surface de la structure semiconductrice créant des régions de susceptibilités d'ordre 2: + X( 2) et des régions de susceptibilités interdigitated electrodes on the surface of the semiconductor structure creating regions of susceptibilities of order 2: + X (2) and regions of susceptibilities
d'ordre 2: -( 2).of order 2: - (2).
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages The present invention will be better understood and other advantages
apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées will appear on reading the following description and accompanying figures
parmi lesquelles:among:
la figure 1 illustre le comportement de la puissance créée à la fré- Figure 1 illustrates the behavior of the power created at the frequency
quence 2 o sous l'action d'une onde électromagnétique en fonction du chemin par- quence 2 o under the action of an electromagnetic wave depending on the path
couru au sein de la structure doubleur de fréquence: la courbe P 2 o, 1 représente l'évolution de la puissance 2 c" d'une structure sans réseau la courbe P 2 co,2 représente l'évolution de la puissance 2 oe d'une structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodiquement par des domaines o la susceptibilité d'ordre 2 est nulle la courbe P 2 oe,3 représente l'évolution de la puissance 2 W d'une ran within the frequency doubling structure: the curve P 2 o, 1 represents the evolution of the power 2 c "of a structure without network the curve P 2 co, 2 represents the evolution of the power 2 oe d a structure comprising domains + x (2) periodically separated by domains where the susceptibility of order 2 is zero the curve P 2 oe, 3 represents the evolution of the power 2 W of a
structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodi- structure with + x (2) domains separated periodically
quement par des domaines x( 2) la figure 2 schématise un puits quantique à 2 niveaux énergétiques sur lesquels sont représentées les densités de probabilité de présence d'électrons; la figure 3 illustre un exemple de puits asymétrique avec les densités de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits, pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention; la figure 4 illustre un puits quantique asymétrique: la figure 4 a: puits à 3 niveaux avec les transitions possibles figure 4 b: puits à 2 niveaux avec les transitions possibles la figure 5 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande optique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantique asymétriques; la figure 6 illustre un exemple de structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention, conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As; la figure 7 illustre un exemple de puits quantique symétrique pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention la figure 7 a montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en l'absence de champ électrique la figure 7 b montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en présence d'un champ électrique la figure 8 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande électrique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantiques symétrique. De façon générale, l'association d'au moins trois couches de matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite différentes permet la création d'un puits de potentiel pour les électrons dans la bande de conduction et pour les trous dans la bande de valence Lorsque les dimensions de ce puits sont proches de longueurs d'ondes de Broglie associées à ces particules, l'énergie totale qui leur est permise ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs discrètes Ce nombre de valeurs et ces valeurs sont directement fonction des dimensions des puits quantiques et des caractéristiques des matériaux semiconducteurs Dans le cas d'un puits quantique obtenu par l'association de trois matériaux telle que ce puits présente deux niveaux discrets d'énergie e A et e B illustrés par la figure 2, il est possible sous l'action d'une onde électromagnétique de générer une transition du niveau e A au niveau e B, les densités de probabilité de présence sur les niveaux e A et e B sont représentées sur cette figure ainsi que les bandes de conduction (BC) et de valence (BV) de la structure Pour cela la longueur d'onde I Xo de l'onde électromagnétique doit être telle que (e B-e A) soit proche de hc/XIW Dans le cas d'une structure présentant un puits quantique symétrique tel que celui représenté à la figure 2, la densité de probabilité de présence d'un électron sur le niveau supérieur est une courbe symétrique qui ne présente pas de dipôle et donc de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 Dans le cas d'une structure à puits quantique asymétrique telle que celle représentée à la figure 3 obtenue à partir de quatre matériaux MI, MlI, MIII et MIV, la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau énergétique e 2 est asymétrique et contribue à créer des dipôles, responsables de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui se trouve alors nettement augmentée par rapport à celle créée au sein des matériaux MI, MII, ME et MIV lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire dans une configuration qui ne permet pas only by domains x (2) Figure 2 shows a quantum well with two energetic levels on which are represented the probability densities of presence of electrons; FIG. 3 illustrates an example of an asymmetric well with the probability densities of presence of electrons on the energy levels within the well, which can be achieved in a semiconductor structure used in a frequency doubler according to the invention; FIG. 4 illustrates an asymmetric quantum well: FIG. 4a: 3-level well with the possible transitions FIG. 4B: 2-level well with the possible transitions FIG. 5 illustrates an example of a frequency doubler according to the invention using a optical control of a second order nonlinear susceptibility network realized within an asymmetric quantum well semiconductor structure; FIG. 6 illustrates an example of a semiconductor structure used in a frequency doubler according to the invention, designed around Ga As / Ga Al As materials; FIG. 7 illustrates an example of a symmetrical quantum well that can be realized in a semiconductor structure used in a frequency doubler according to the invention. FIG. 7a shows the probability density of the presence of electrons on the energy levels within the well. the absence of an electric field FIG. 7b shows the probability density of presence of electrons on the energy levels within the well in the presence of an electric field. FIG. 8 illustrates an example of a frequency doubler according to the invention using an electrical control of a second order nonlinear susceptibility network realized within a symmetrical quantum well semiconductor structure. In general, the combination of at least three layers of semiconductor materials having different bandgap widths allows the creation of a potential sink for the electrons in the conduction band and for the holes in the valence band. the dimensions of this well are close to Broglie wavelengths associated with these particles, the total energy allowed to them can only take a finite number of discrete values This number of values and these values are directly a function of the dimensions quantum wells and semiconductor material characteristics In the case of a quantum well obtained by the combination of three materials such that this well has two discrete levels of energy e A and e B illustrated in FIG. 2, it is possible under the action of an electromagnetic wave to generate a transition from the level e A to the level e B, the probability density of presence on the levels e A and e B are represented on this figure as well as the conduction (BC) and valence (BV) bands of the structure. For this, the wavelength I Xo of the electromagnetic wave must be such that (e Be A) is close to hc / XIW In the case of a structure presenting a symmetrical quantum well such as that represented in FIG. 2, the probability density of presence of an electron on the upper level is a symmetrical curve which does not have a dipole and therefore of nonlinear susceptibility of order 2 In the case of an asymmetric quantum well structure such as that represented in FIG. 3 obtained from four materials MI, MlI, MIII and MIV, the probability density of presence of electrons energy level e 2 is asymmetrical and contributes to the creation of dipoles, responsible for the non-linear susceptibility of order 2 which is then significantly increased compared to that created within the materials MI, M II, ME and MIV when in their "massive" form, that is, in a configuration that does not allow
l'observation des phénomènes quantiques évoqués ici. the observation of the quantum phenomena mentioned here.
Cette résonance de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 peut être mise This resonance of the nonlinear susceptibility of order 2 can be put
à profit en particulier dans le domaine de la génération de seconde harmonique. in particular in the field of second harmonic generation.
Pour cela on élabore de préférence une structure semiconductrice qui possède trois niveaux discrets d'énergie el, e 2 et e 3 dans la bande de conduction et trois niveaux discrets d'énergie hl, h 2 et h 3 dans la bande de valence tels que: ei hl est compris entre Eg II et Eg I e 2 h 2 est compris entre Eg I et Eg IV e 3 h 3 est compris entre Eg I et Eg IV et tel que (e 3-h 3) (e 2 h 2) est peu différent de (e 2 h 2) (el hl), Ega I, Eg III et Eg IV étant les trois largeurs de bande interdite du puits, une telle configuration est particulièrement favorable à l'émission d'une onde à la fréquence 2 oe sous l'action d'une onde électromagnétique For this purpose, a semiconductor structure is preferably developed which has three discrete levels of energy e1, e2 and e3 in the conduction band and three discrete levels of energy h1, h2 and h3 in the valence band such that : ei hl is between Eg II and Eg I e 2 h 2 is between Eg I and Eg IV e 3 h 3 is between Eg I and Eg IV and such that (e 3-h 3) (e 2 h 2 ) is little different from (e 2 h 2) (el hl), Ega I, Eg III and Eg IV being the three bandgap widths of the well, such a configuration is particularly favorable to the emission of a wave at the 2 oe frequency under the action of an electromagnetic wave
à la fréquence co.at the frequency co.
La figure 4 a illustre les transitions permises avec une structure semiconductrice présentant trois niveaux discrets d'énergie La figure 4 b montre que les mêmes transitions sont possibles avec une structure à deux niveaux, le niveau e 3 discret et alors remplacé par un continuum d'états (C) dans la bande de conduction configuration moins favorable à la génération de seconde harmonique. Le doubleur de fréquence selon l'invention utilise avantageusement ce type de structure semiconductrice conduisant à une augmentation de la valeur X( 2) de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui est spatialement modulée pour obtenir l'accord de phase Pour créer de la génération de seconde harmonique, il faut que les transitions inter sous bandes (entre el et e 2) se produisent effectivement et donc que le niveau fondamental ei soit peuplé d'électrons Si ce niveau ei n'est pas peuplé, aucune transition ne se produit et la valeur x( 2) reste celle prise dans les matériaux lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire beaucoup plus faible (environ trois ordres de grandeur de différence) Dans un doubleur de fréquence selon l'invention on propose de commander optiquement le peuplement en électrons de la bande de conduction et en trous de la bande de valence, en éclairant avec une onde dont l'énergie photonique est suffisante pour susciter des Figure 4a illustrates the permissible transitions with a semiconductor structure with three discrete levels of energy. Figure 4b shows that the same transitions are possible with a two-level structure, the discrete e 3 level and then replaced by a continuum of states (C) in the conduction band configuration less favorable to second harmonic generation. The frequency doubler according to the invention advantageously uses this type of semiconducting structure leading to an increase in the X (2) value of the nonlinear susceptibility of order 2 which is spatially modulated to obtain the phase agreement. generation of second harmonic, it is necessary that the transitions between sub-bands (between el and e 2) actually occur and so that the fundamental level ei is populated with electrons If this level ei is not populated, no transition occurs and the value x (2) remains that taken in the materials when they are in their "massive" form, that is to say much lower (about three orders of magnitude difference) In a doubler of frequency according to the It is proposed to optically control the electron formation of the conduction band and the holes of the valence band, by illuminating with a wave whose photon energy is sufficient to elicit
transitions inter-bandes c'est-à-dire entre bande de valence et bande de conduction. inter-band transitions ie between valence band and conduction band.
Pour réaliser le réseau permettant l'accord de phase entre onde électromagnétique et onde harmonique, on utilise de préférence une commande optique obtenue par interférence de deux faisceaux optiques faisant des angles O de part et d'autre de la normale au plan des couches de manière à définir périodiquement des zones dans lesquelles le niveau el est peuplé et des zones dans lesquelles le niveau ei n'est pas peuplé On constitue ainsi le réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 au sein de la structure semiconductrice (SP) déposée sur un substrat S, décrit à la figure 5, qui utilise la juxtaposition de plusieurs puits asymétriques pour accroître davantage la conversion de fréquence Les régions dans lesquelles les faisceaux optiques ont des interférences destructives ont des valeurs de x( 2) très faibles devant celles des régions voisines et sont schématisées sur la figure 4 par des valeurs de x( 2) proches de zéro Ce type de commande optique est particulièrement intéressante dans la mesure o le contrôle de l'angle O permet d'ajuster le pas du réseau à la longueur d'onde le) de l'onde électromagnétique dont on cherche à doubler la fréquence On dispose ainsi d'un doubleur de fréquence comprenant un réseau de susceptibilité non To achieve the network allowing phase matching between electromagnetic wave and harmonic wave, it is preferable to use an optical control obtained by interference of two optical beams making angles O on either side of the normal to the plane of the layers. to define periodically zones in which the level el is populated and areas in which the level ei is not populated Thus constitutes the network of nonlinear susceptibility of order 2 within the semiconducting structure (SP) deposited on a substrate S, described in FIG. 5, which uses the juxtaposition of several asymmetric wells to further increase the frequency conversion. The regions in which the optical beams have destructive interferences have very low values of x (2) in comparison with those of the neighboring regions. and are shown diagrammatically in FIG. 4 by values of x (2) close to zero. This type of optical control is gone interestingly to the extent that the control of the angle O allows to adjust the pitch of the network to the wavelength of the electromagnetic wave 1 of which one seeks to double the frequency It thus has a doubler of frequency comprising a non-susceptibility network
linéaire d'ordre 2 reconfigurable par commande optique. Linear order 2 reconfigurable by optical control.
A titre d'exemple la structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention peut être conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As Plus précisément les matériaux MI, MII, M II Iet MIV peuvent ètre les suivants: MI: Ga 0,6 A 10,4 As MII: Ga As MIII: Ga 0,9 A 10,1 As Mi V: Ga 0,6 A 10,4 As L'épaisseur de la couche de matériau MII étant de 59,4 Angstroems et By way of example, the semiconductor structure used in a frequency doubler according to the invention can be designed around Ga As / Ga Al As materials. More precisely, the MI, MII, M II and MIV materials can be the following: MI: Ga 0.6 A 10.4 As MII: Ga As MIII: Ga 0.9 A 10.1 As Mi V: Ga 0.6 A 10.4 As The thickness of the MII material layer is 59.4 Angstroms and
l'épaisseur de la couche de matériau Mim étant de 42,4 Angstroems. the thickness of the Mim material layer being 42.4 Angstroms.
Dans une telle structure, il existe trois niveaux discrets d'énergie ell, e 21 et e 31 dans la bande de conduction du puits Cet exemple de structure est In such a structure, there are three discrete levels of energy ell, e 21 and e 31 in the conduction band of the well.
illustré par la figure 6.illustrated in Figure 6.
Le puits quantique asymétrique de la structure est tel que le niveau ell ne soit pas préalablement peuplé afin de bien contrôler optiquement le peuplement du niveau el 1 Typiquement les écarts énergétiques sont les suivants: e 21 ell = 118,8 me V e 31 e 21 = 114,7 me V Ainsi une telle structure est particulièrement bien adaptée au doublement de fréquence d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xa) = 10,6 gm En effet dans ce cas hc/X(o est de l'ordre de 117 me V Avec un pompage optique permettant une concentration de porteurs de 1017 électrons/cm 3 on obtient une valeur de susceptibilité d'ordre 2 X( 2) voisine de 2 105 pm/V (notons que dans The asymmetric quantum well of the structure is such that the ell level is not pre-populated in order to optically control the el 1 population. Typically the energy gaps are as follows: e 21 ell = 118.8 me V e 31 e 21 Thus, such a structure is particularly well suited to doubling the frequency of an electromagnetic wave of wavelength λa = 10.6 gm Indeed in this case hc / X (o is of the order With an optical pumping allowing a carrier concentration of 1017 electrons / cm 3, a susceptibility value of 2 X (2) close to 2 105 pm / V is obtained (note that in
Ga As sous sa forme "massive", la valeur de x( 2) est de l'ordre de 4 10 102 pm/V). GaAs in its "massive" form, the value of x (2) is of the order of 4 10 102 pm / V).
Pour atteindre la condition de quasi accord de phase on cherche à obtenir un To reach the condition of quasi phase agreement one seeks to obtain a
éclairement périodique dont l'interfrange est égale à 2 longueurs de cohérence. periodic illumination whose interfrange is equal to 2 lengths of coherence.
L'angle O que font les deux faisceaux avec la normale au plan des couches doit alors vérifier la condition Sin O = Xp/4 Lc si Xp est la longueur d'onde de ces deux faisceaux Dans le cadre des matériaux utilisés pour la structure semiconductrice choisie Xp est voisine de 0, 84 /m La longueur de cohérence étant de l'ordre de The angle O that the two beams make with the normal to the plane of the layers must then verify the condition Sin O = Xp / 4 Lc if Xp is the wavelength of these two beams Within the framework of the materials used for the semiconductor structure Xp is close to 0. 84 / m The coherence length being of the order of
/m on détermine ainsi un angle O égal à 0,12 . Thus, an angle θ equal to 0.12 is determined.
Les doubleurs de fréquence décrits précédemment utilisent The frequency doublers described above use
avantageusement une structure semiconductrice à puits quantique asymétrique. advantageously an asymmetric quantum well semiconductor structure.
L'invention propose également de faire du doublage de fréquence dans un puits symétrique En effet une configuration symétrique peut être modifiée en puits asymétrique sous l'effet d'un champ électrique La figure 7 illustre un exemple de puits symétrique utilisant cinq matériaux différents M'I, M'11, M'm, M'IV et M'V Sur la figure 7 a les densités de probabilité de présence d'électrons sont s représentées sur deux niveaux énergétiques discrets e'l et e'2 Sur le niveau supérieur e'2 la densité est une courbe symétrique En présence d'un champ électrique E, il est possible de déformer l'allure du puits symétrique et de créer une asymétrie au niveau de la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau e'2 et ainsi générer un dipôle responsable de la génération de seconde harmonique Suivant le sens du champ on est ainsi capable de créer des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: + X( 2) et des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: ( 2) La figure 8 montre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant un puits symétrique rendu asymétrique par la présence d'électrodes interdigitées (Ed) déposées à la surface de la structure semiconductrice The invention also proposes making frequency doubling in a symmetrical well. Indeed, a symmetrical configuration can be modified in an asymmetric well under the effect of an electric field. FIG. 7 illustrates an example of a symmetrical well using five different materials. I, M'11, M'm, M'IV and M'V In FIG. 7a, the probability densities of the presence of electrons are represented on two discrete energy levels e'l and e'2 On the higher level e2 the density is a symmetrical curve In the presence of an electric field E, it is possible to deform the shape of the symmetrical well and to create an asymmetry at the level of the probability density of presence of electrons on the level e 2 and thus generate a dipole responsible for the generation of second harmonic Depending on the direction of the field, it is thus possible to create zones of nonlinear susceptibility of order 2: + X (2) and areas of nonlinear susceptibility re of order 2: (2) Figure 8 shows an example of frequency doubler according to the invention using a symmetrical well made asymmetric by the presence of interdigital electrodes (Ed) deposited on the surface of the semiconductor structure
(SP'), elle-même déposée sur un substrat (S') Pour obtenir le réseau l+ x( 2), - (SP '), itself deposited on a substrate (S') to obtain the lattice l + x (2), -
X( 2)l, les matériaux employés peuvent être dopés de manière à disposer de niveaux X (2) l, the materials used can be doped so as to have levels
énergétiques e'1 peuplés électroniquement. energy e1 populated electronically.
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